CN103327605A - 物联网环境下基于令牌环的射频定位方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种物联网环境下基于令牌环的射频定位方法及系统，该方法包括：定位区域内的路标节点组成路标网络；ASN生成令牌后通过下行信道向路标网络广播；路标网络中的路标节点获取令牌后，通过下行信道向进入定位区域的定位节点发送射频信号，并将令牌发送出去；定位节点接收到路标节点发射的射频信号，获得路标节点的RSSI值后通过上行信道发送至ASN，ASN将RSSI值通过互联网发送至无线定位服务器；无线定位服务器根据收到的RSSI值计算出定位节点的位置。本发明的令牌由ASN维护、在路标节点之间传递，只有当路标节点获得令牌后才能发送定位帧，有效地避免了路标节点之间发送数据时冲突。

Description

物联网环境下基于令牌环的射频定位方法及系统

技术领域

本发明涉及无线传感器网络中节点的定位，具体地指一种物联网环境下基于令牌环的射频定位方法及系统。

背景技术

无线传感器网络是面向事件的监测网络，对于大多数应用，不知道传感器位置而感知的数据是没有意义的。实时地确定事件发生的位置或获取消息的节点位置是传感器网络最基本的功能之一，也是提供监测事件位置信息的前提，所以定位技术对传感器网络应用的有效性起着关键的作用。

在无线传感器网络中，根据定位过程中是否测量节点间的实际距离或角度，可分为基于测距的定位算法和非测距的定位算法。前者需要测量节点间的实际距离；后者是利用节点间的估计距离来计算末知节点的位置。在基于距离的定位算法中，测量节点间距离或方位时采用的方法有TOA(Time of Arrival，到达时间)，TDOA(Time Difference of Arrival，到达时间差)，RSSI(Received Signal StrengthIndication，接收信号强度)和AOA(Angle of Arrival，到达角度)。距离无关的算法主要有质心算法、DV—hop算法等。相比之下，基于距离的定位算法测量精度较高，距离无关的定位算法对硬件要求较低。

上述现有的节点定位方法均存在各自的不足，如TOA需要精确的时钟同步，TDOA需要节点配备超声波收发装置，AOA需要有天线阵列或麦克风阵列，这三种算法对硬件要求较高；RSSI技术主要是用RF信号，而节点本身就具有无线通信能力，故其是一种低功耗、廉价的测距技术，但是现有的RSSI定位方法的MAC协议都是采用移动节点发信息、固定路标节点收信息的工作模式，当有多个移动节点在同一个区域内时，移动节点在发送信息时就会相互产生冲突，定位系统每个区域内的容量有限。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的不足而提供一种物联网环境下基于令牌环的射频定位方法及系统，本发明采用路标节点发送信息，定位节点接收信息的工作模式。系统采用基于令牌环网络的MAC层协议，令牌在路标节点间传递，路标节点取得令牌后才能发送定位帧，定位节点根据定位帧取得定位所需要的RSSI信息，然后通过网络传输到无线定位服务器，无线定位服务器通过相应的算法计算出节点的具体位置。

实现本发明目的采用的技术方案是：一种物联网环境下基于令牌环的射频定位方法，包括：

定位区域内的路标节点发射射频信号；

定位节点进入所述定位区域内，接收到路标节点发射的射频信号，获得路标节点的RSSI值后发送至无线定位服务器；

无线定位服务器根据所述RSSI值后计算出定位节点的位置。

在上述技术方案中，所述定位区域内的路标节点组成路标网络后通过下行信道与ASN网关通信；

所述ASN网关生成令牌后向所述路标网络广播；

所述路标网络中的路标节点获取令牌后，通过下行信道将定位帧发送给定位节点，并将所述令牌发送出去。

进一步地，所述定位节点选择三个路标节点的RSSI值发出，所述无线定位服务器根据该三个路标节点的RSSI值，采用基于RSSI的三边定位算法计算出定位节点的位置。

此外，本发明还提供一种物联网环境下基于令牌环的射频定位系统，包括：

多个路标节点，用于向定位区域发射射频信号；

定位节点，进入到所述定位区域后，用于接收路标节点发射的射频信号，获得路标节点的RSSI值后发出；

无线定位服务器，用于接收所述RSSI值后计算出定位节点的位置。

在上述技术方案中，所述物联网环境下基于令牌环的射频定位系统还包括：

ASN网关，通过互联网与所述无线定位服务器通信；所述定位节点将路标节点的RSSI值通过所述ASN网关发送至无线定位服务器。

进一步地，所述ASN网关包括ASN主节点、第一ASN射频节点和第二ASN射频节点，所述第一ASN射频节点和第二ASN射频节点分别通过串口与ASN主节点连接。

本发明采用小规模的令牌环网络实现路标节点发送射频信息，只有在获得令牌的路标节点才能向定位节点发送射频信息，能够避免定位节点定位请求产生相互冲突，还能够避免路标节点在发送射频信息时产生的传输冲突，且令牌环网络延时小，精度高，且能够控制路标网路中路标节点实现睡眠和唤醒模式，降低了能耗。此外，本发明定位算法采用基于RSSI的三边定位算法，能够在定位算法中加入对结果的修正，提高了定位的精准度。

附图说明

图1为本发明物联网环境下基于令牌环的射频定位系统的结构示意图；

图2为本发明物联网环境下基于令牌环的射频定位方法的流程图；

图3为组成路标网络的流程图；

图4为生成令牌的流程图；

图5为获取令牌的流程图；

图6为获得RSSI值的流程图图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。

图1为物联网环境下基于令牌环的射频定位系统的结构示意图，该无线定位系统包括设置在定位区域的多个路标节点100、定位节点200和ASN（Advanced Sensor Node，高级感知节点）300，ASN300为一种具有互联网接入的物联网关。路标节点100设置在半空中，本实施例中每个相邻的路标节点100间隔为50m，多个路标节点100发射的射频信号能够完全覆盖该定位区域。

ASN300包括ASN主节点、第一ASN射频节点和第二ASN射频节点，所述第一ASN射频节点和第二ASN射频节点分别通过串口与ASN主节点通信；

本实施例中，ASN300通过互联网400与无线定位服务器500连接，实现数据通信。具体地实际应用中，无线定位服务器500与互联网400之间还可以增设防火墙600。互联网400还可以连接WEB终端700和手机终端800，实现数据通信，上述各终端的连接与通信均为现有技术，此处不再赘述。

本实施例中定位节点200为带有射频模块的平板电脑、智能手机等智能移动终端。当定位节点200进入到定位区域内，通过本发明无线定位系统对该定位节点200的定位具体步骤如下：

步骤S100、定位区域内的路标节点100组成路标网络。。

步骤S200、ASN300生成令牌后通过下行信道向路标网络广播。

步骤S300、路标网络中的路标节点100获取令牌后，通过下行信道向进入定位区域的定位节点200发送射频信号，并将令牌发送出去。

步骤S400、定位节点200接收到路标节点100发射的射频信号，获得路标节点100的RSSI值后通过上行信道发送至ASN300，ASN300将RSSI值通过互联网发送至无线定位服务器500。

步骤S500、无线定位服务器500根据收到的RSSI值计算出定位节点200的位置。本实施例采用基于RSSI的三边定位算法计算出定位节点200的位置，因此步骤S400中只需选择三个路标节点100的RSSI值发送出去即可。

其中，步骤S100组成路标网络具体包括以下步骤：

步骤S101、第一ASN射频节点监听已用信道号，监听完（轮询255个信道，每个信道50ms）后，第一ASN射频节点将监听完的信息，组成监听指令，发送给ASN主节点，ASN主节点将此监听指令发送给服务器（本实施例中，该服务器也可以通过无线定位服务器500实现）。对于监听指令，ASN射频节点采取超时重传（发送完监听指令后，服务器应该将网络的信道号、路标ID发送过来，如果规定时间没有发送过来，重新发送监听帧）的方式，监听帧在正常情况下，每天传1次。

步骤S102、服务器收到监听指令后，将所有路标节点100的EPC（Electronic Product Code，产品电子代码）、ID、公共信道号、数据信道号，发送给ASN主节点。

步骤S103、ASN主节点更新路标网表，发送广播指令给第一ASN射频节点。

步骤S104、第一ASN射频节点收到广播指后，更新路标在网列表，并不断发送广播帧（间隔20ms发送一次）。

步骤S105、组网时间到（如：07：55），ASN主节点发送组网指令给第一ASN射频节点，第一ASN射频节点收到组网指令后，采用轮询的方式发送组网帧给路标节点100。

步骤S106、路标节点100收到组网帧后，比较组网帧中节点ID，如果相同，发送ACK确认帧给第一ASN射频节点，路标节点100组成路标网络。

步骤S107、第一ASN射频节点收到ACK确认帧后，将路标在网列表中的节点在网标志置位。并发送组网回复指令给ASN主节点。如果第一ASN射频节点接收ACK确认帧超时，那么第一ASN射频节点采用发送三次的形式，如果三次还没有收到ACK确认帧，则发送组网超时指令给ASN主节点。

步骤S108、ASN主节点收到组网回复指令或者组网超时指令后，更新路标网表，并将信息回复给服务器。

其中，步骤S200生成令牌具体包括以下步骤：

步骤S201、当组网完成后（7：55组网），进入到同步时间（8：00），ASN主节点发送同步指令，第一ASN射频节点收到同步指令后，解析同步指令，切换信道。

步骤S202、第一ASN射频节点1发送同步帧给路标网络中所有的路标节点100。

步骤S203、路标节点100收到同步帧后，进入睡眠模式。

步骤S204、睡眠时间结束后，路标节点100处于唤醒状态，在唤醒状态中，等待令牌。

步骤S205、获取令牌后，路标节点100会把自身信息发送给定位节点200，并且将令牌发送出去。

其中，步骤S300获取令牌具体包括以下步骤：

步骤S301、定时时间到后（此时，路标节点被唤醒），第一ASN射频节点查看在网路标列表，根据在网路标节点，发送令牌帧给所有路标节点100。路标节点100收到令牌帧后，比较令牌帧中第一个ID号是否与自己ID号匹配，如果匹配，则获得令牌。

步骤S302、获得令牌的路标节点100发送定位帧给定位节点200。

步骤S303、发送后，路标节点左移令牌帧的ID号（删除自己的ID），将令牌发送出去。

步骤S304、最后一个路标发送完定位帧后，将令牌返还给第一ASN射频节点。

步骤S305、所有路标节点100发送完后定位帧后，等待同步。

其中，步骤S400获得RSSI值具体包括以下步骤：

步骤S401、定位节点200获得路标节点100的RSSI值后，经过计算、比较，选取三个合理的RSSI值，切换到偏移（上行）信道。

步骤S402、切换信道后，根据自己ID做一个随机延时，时间为（10ms*ID），将RSSI值通过RSSI推送帧发给第二ASN射频节点。

步骤S403、第二ASN射频节点获得RSSI推送帧后，通过RSSI推送转发指令发送给ASN主节点。ASN主节点将RSSI值通过互联网400发送至无线定位服务器500。

在本实施例中，如增加新的路标节点100，则进行以下操作：

步骤S501、服务器将新路标节点的EPC、ID发送给ASN主节点。

步骤S502、ASN主节点更新路标网表，并发送组网更新指令给第一ASN射频节点。

步骤S503、第一ASN射频节点更新路标在网列表的信息，重新封装广播帧。

步骤S504、第一ASN射频节点判断时间是否够发送广播帧和组网帧（防止这个时刻有可能是路标唤醒时刻），如果够，第一ASN射频节点将重新封装的广播帧广播给路标节点。

步骤S505、第一ASN射频节点发送完广播帧后，发送组网帧给新的路标节点，接着采用步骤S100的方法组成路标网络。

如路标网络中有路标节点脱离，则进行以下操作：

步骤S601、第一ASN射频节点将脱离网络的在网路标标志位置0。

步骤S602、第一ASN射频节点在空闲时刻发送广播帧。

步骤S603、组网时间到后，第一ASN射频节点发送组网帧，如果收到ACK确认后，就更改在网路标标志位。如果没有收到ACK（三次），则删除该节点的在网列表，发送组网超时指令给ASN主节点。

Claims (9)

1.一种物联网环境下基于令牌环的射频定位方法，其特征在于，包括

定位区域内的路标节点发射射频信号；

定位节点进入所述定位区域内，接收到路标节点发射的射频信号，获得路标节点的RSSI值后发送至无线定位服务器；

无线定位服务器根据所述RSSI值后计算出定位节点的位置。 

2.根据权利要求1所述物联网环境下基于令牌环的射频定位方法，其特征在于：

所述定位区域内的路标节点组成路标网络后通过下行信道与ASN网关通信；

所述ASN网关生成令牌后向所述路标网络广播；

所述路标网络中的路标节点获取令牌后，通过下行信道将定位帧发送给定位节点，并将所述令牌发送出去；定位节点根据接收到的定位帧计算RSSI值。

3.根据权利要求2所述物联网环境下基于令牌环的射频定位方法，其特征在于：

所述定位节点计算出所有路标节点的RSSI值后，通过上行信道将路标ID、RSSI值以及定位节点的EPC发出至ASN网关，ASN网关将路标ID、RSSI值以及定位节点的EPC传输至连接在互联网上的无线定位服务器。

4.根据权利要求3所述物联网环境下基于令牌环的射频定位方法，其特征在于：所述ASN网关包括ASN主节点、第一ASN射频节点和第二ASN射频节点，所述第一ASN射频节点和第二ASN射频节点分别通过串口与ASN主节点通信；

所述ASN主节点发出组网指令、广播指令；

第一射频节点接收到所述组网指令后采用轮询方式进行组网得到路标网络；接收到所述广播指令后发出广播，用于让路标节点和定位节点搜索到网络第二射频节点通过上行信道接收所述定位节点发出的RSSI值，并将所述RSSI值发送至所述ASN主节点； 

第二射频节点监听所述上行信道，用于接收路标ID、RSSI值以及定位节点的EPC，并发送至所述ASN主节点。

5.根据权利要求4所述物联网环境下基于令牌环的射频定位方法，其特征在于：

工作开始时，ASN主节点向第一射频节点发出同步指令，所述第一射频节点发送同步帧给路标节点，让所有路标节点进入休眠，到设定时间后唤醒；

工作结束时，ASN主节点向第一射频节点发出同步停止指令，所述第一射频节点发送同步帧给路标节点，让所有路标节点进入更长时间的休眠。

6.根据权利要求1~5任一项所述物联网环境下基于令牌环的射频定位方法，其特征在于：所述定位节点选择三个路标节点的RSSI值发出，所述无线定位服务器根据该三个路标节点的RSSI值，采用基于RSSI的三边定位算法计算出定位节点的位置。

7.一种物联网环境下基于令牌环的射频定位系统，其特征在于，包括：

多个路标节点，用于向定位区域发射射频信号；

定位节点，进入到所述定位区域后，用于接收路标节点发射的射频信号，获得路标节点的RSSI值后发出；

无线定位服务器，用于接收所述RSSI值后计算出定位节点的位置。

8.根据权利要求7所述物联网环境下基于令牌环的射频定位系统，其特征在于，还包括：

ASN网关，通过互联网与所述无线定位服务器通信；所述定位节点将路标节点的RSSI值通过所述ASN网关发送至无线定位服务器。

9.根据权利要求8所述物联网环境下基于令牌环的射频定位系统，其特征在于：所述ASN网关包括ASN主节点、第一ASN射频节点和第二ASN射频节点，所述第一ASN射频节点和第二ASN射频节点分别通过串口与ASN主节点连接；

所述ASN主节点发出组网指令、广播指令、同步指令、同步停止指令；

第一射频节点接收到所述组网指令后采用轮询方式进行组网得到路标 网络；接收到所述广播指令后发出广播，用于让路标节点和定位节点搜索到网络第二射频节点通过上行信道接收所述定位节点发出的RSSI，并将所述RSSI发送至所述ASN主节点；工作开始时，接收到同步帧后发送给所有路标节点，让所有路标节点进入更长时间的休眠，到设定时间后唤醒；工作结束时，接收到同步帧后发送给所有路标节点，让所有路标节点进入更长时间的休眠；

第二射频节点监听所述上行信道，用于接收路标ID、RSSI值以及定位节点的EPC，并发送至所述ASN主节点。 

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